基于GLCM的SAR溢油紋理特征分析

鄒亞榮，林明森，馬騰波，朱海天，陳光明

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081 2.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京100080 ）

基于GLCM的SAR溢油紋理特征分析

鄒亞榮1，林明森1，馬騰波2，朱海天1，陳光明1

（1.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京100081 2.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，北京100080 ）

溢油對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成巨大的危害，溢油遙感監(jiān)測(cè)已成為海洋遙感監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容，但由于在SAR圖像上溢油的表現(xiàn)和其它海洋現(xiàn)象類(lèi)似，難以區(qū)分油膜與類(lèi)油膜，給遙感監(jiān)測(cè)帶來(lái)困難。本文以Envisat-ASAR為數(shù)據(jù)源，選擇南海為例，采用GLCM方法對(duì)溢油的SAR紋理進(jìn)行分析，計(jì)算海水與溢油的GLCM特征值，結(jié)果表明：采用變化、均值等特征對(duì)溢油的SAR紋理有很好的表現(xiàn)，從而為溢油信息的提取提供基礎(chǔ)。

GLCM；SAR；紋理分析

Abstract：Using SAR to monitor oil spill is a useful method.Due to the performance of oil spill on SAR images,is similar with other oceanic phenomenon,it is difficult to distinguish between oil spill and “l(fā)ooks-like”.In this paper,we selected the South China Sea as a sample using Envisat-ASAR and developed a method that using GLCM to analysis SAR texture of oil spill,then calculated eigenvalue of oil spill and sea water.The results showed that: the changes in the mean characteristics of the SAR for oil spill texture had a good performance,so as to provide the basis for the extraction of oil spill information.

Keywords:GLCM; SAR; Feature analysis

海上溢油污染是最常見(jiàn)的海洋污染物之一。因此，世界各地的海事國(guó)家目前都積極參與海上溢油的監(jiān)視和遙感監(jiān)測(cè)，這種監(jiān)視活動(dòng)主要是搜尋船舶、管道及石油鉆井平臺(tái)等經(jīng)常性或慢性的各種油的泄漏。最近幾年關(guān)于溢油監(jiān)測(cè)的研究都集中在衛(wèi)星遙感上，特別是象ERS-1，ERS-2，Radarsat-1和JERS-1雷達(dá)衛(wèi)星對(duì)海洋溢油的監(jiān)測(cè)受到許多國(guó)家的重視。衛(wèi)星遙感主要在確定溢油位置和面積等方面能夠提供整個(gè)溢油污染水域宏觀的圖像，在災(zāi)難性的大量油類(lèi)泄漏的情況下，衛(wèi)星遙感和航空遙感都被用來(lái)跟蹤監(jiān)視溢油的漂移和擴(kuò)散。對(duì)于慢性泄漏而言，越來(lái)越多的海事國(guó)家主要利用衛(wèi)星圖像來(lái)監(jiān)視這些污染源。

海洋表面溢油阻尼了溢油區(qū)海面的毛細(xì)波，導(dǎo)致表面粗糙度的降低，從而相對(duì)周?chē)鷧^(qū)域的強(qiáng)后向散射來(lái)說(shuō)，溢油海面的后向散射相對(duì)弱，在一定的風(fēng)速條件下這種差別能在 SAR圖像上顯示，因此SAR被廣泛地用來(lái)監(jiān)測(cè)海面溢油污染，利用多時(shí)相SAR圖像監(jiān)測(cè)天然溢油能指導(dǎo)海洋油氣勘探普查。溢油存在的海面的電磁散射特征是利用 SAR圖像探測(cè)油膜的基礎(chǔ)。Biegert等(1997)在 GOSAP(Gulf Offshore Satellite Applications Project)項(xiàng)目中用Radarsat SAR探測(cè)美國(guó)南部的墨西哥灣海面天然溢油和海底油噴，采用的 Radarsat波束模式有精細(xì)(F)、標(biāo)準(zhǔn)(S)、寬(W)、掃描 SAR 窄(SNA,SNB)及寬波束模式(SNW)，獲取圖像時(shí)的海面風(fēng)速3 ～ 5 m/s，通過(guò)對(duì)比不同模式的SAR圖像上的海面后向散射特征成功探測(cè)到該海面的天然溢油。Ivanov等(2002)對(duì)黃海海面的污染溢油的研究表明，RADARSAT 圖像可以成功探測(cè)到溢油的分布等信息。Solberg et al(1999)在海面后向散射特征差異的基礎(chǔ)上研究油膜的自動(dòng)探測(cè)方法。

目前對(duì)于溢油 SAR的紋理研究并不多見(jiàn)，本文擬基于GLCM開(kāi)展溢油SAR紋理研究，為遙感溢油信息提取打下基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

ENVISAT-1衛(wèi)星是歐空局的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星系列之一，于2002年3月1日發(fā)射升空。設(shè)計(jì)壽命5～10年，重復(fù)周期35天。在ENVISAT-1衛(wèi)星上載有多個(gè)遙感器，分別對(duì)陸地、海洋、大氣進(jìn)行觀測(cè)，其中最主要的就是名為 ASAR(Advanced Synthetic Aperture Radar)的合成孔徑雷達(dá)遙感器。與ERS的SAR遙感器一樣，ASAR工作在 C波段，波長(zhǎng)為5.6 cm。但ASAR具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如多極化、可變觀測(cè)角度、寬幅成像等。

溢油監(jiān)測(cè)采用的主要為Image模式。Image模式生成與ERS SAR類(lèi)似的約30 m空間分辨率的圖象。本文選取2008年3月27號(hào)ENVISATImage模式，VV極化。

1.2 方法

設(shè)定圖像為M*N大小，設(shè)其灰度級(jí)分別為i，j，(K，l)與(m，n)表示圖像空間上的一個(gè)點(diǎn)對(duì)。取像元對(duì)間距為 d，兩像元連線的方向?yàn)?。取不同間距d，不同方向的灰度共生矩陣為P(i，j，d，)。Pij為兩個(gè)相鄰像元在距離d和角度的概率?；诓煌?°與180°的表達(dá)為：90°與 270°的表達(dá)為：

對(duì)圖像進(jìn)行灰度壓縮，把256灰度值壓縮為64位。提取灰度共生矩陣的關(guān)聯(lián)，變化特征量。

2 結(jié)果分析

通過(guò)南海ASAR數(shù)據(jù)分析，本文選取四個(gè)樣區(qū)，如圖1，計(jì)算結(jié)果如表1。從表1看，相對(duì)其它幾個(gè)特征值，均值與變化量的值要相對(duì)大，對(duì)于計(jì)算機(jī)提取，僅從特征值難以提取出溢油信息，更進(jìn)一步，本文選取了類(lèi)油膜進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖 2。從結(jié)果看，均值與相關(guān)這兩個(gè)特征值在區(qū)分油膜與類(lèi)油膜上，有比較明顯的分界，能夠較好區(qū)分兩者，如圖2。非相似性特征值在油膜與類(lèi)油膜的區(qū)分上，效果一般，而熵、角二矩陣這幾個(gè)特征值的油膜與類(lèi)油膜值相互參雜，油膜與類(lèi)油膜的區(qū)別不大，如圖 3。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)均值與相關(guān)值，根據(jù)油膜與類(lèi)油膜的值，如圖 2，選定兩者之間的閥值，計(jì)算結(jié)果如圖3?？梢钥闯?，油膜信息得到提取。

圖1 油膜特征值選樣計(jì)算Fig.1 Oil spill sampling calculation of eigenvalues

圖2 油膜與類(lèi)油膜特征值計(jì)算Fig.2 Eigenvalues calculation of sampling oil spill and sea water

表1 各特征值計(jì)算Tab.1 Calculation of characteristic values

圖3 根據(jù)特征值提取油膜信息結(jié)果Fig.3 Results of ectract

3 結(jié) 論

本文從圖像處理的角度進(jìn)行油膜與類(lèi)油膜的灰度共生計(jì)算，基于紋理分析方法，增強(qiáng)了溢油信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì) SAR溢油信息提取，為溢油的遙感提取提供依據(jù)。從選取的GLCM指標(biāo)看，對(duì)比與關(guān)聯(lián)兩個(gè)紋理特征能夠較好的表現(xiàn)溢油特征，但該方法從圖像處理角度，受圖像的質(zhì)量影響，同時(shí)機(jī)理未能涉及，將在下一步開(kāi)展進(jìn)一步研究。

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SAR feature analysis of oil spill based on GLCM

ZOU Ya-rong1,LIN Ming-sen1,MA Teng-bo2,ZHU Hai-tian1,CHEN Guang-ming1
(1.National Satellite Ocean Application Service,Beijing 100081,China; 2.Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

X55; X834

A

1001-6932(2010)04-0455-04

2009-03-02；

2009-12-18

海洋公益項(xiàng)目，溢油遙感監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)提取技術(shù)研究及其業(yè)務(wù)化應(yīng)用示范（200705018）；溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)研制（2006BAC03B04-01）；908-03數(shù)字海洋衛(wèi)星中心節(jié)點(diǎn)建設(shè)；國(guó)家海洋局青年基金（2008427）

鄒亞榮（1967－），男，江西南昌人，博士，副研究員，主要從事海洋遙感與GIS應(yīng)用，電子郵箱：zyr@mail.nsoas.gov.cn